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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Laden von Leistungsempfängern mit einer Ablagefläche für den Leistungsempfänger, einer Spulenanordnung, einer Ansteuerelektronik, die mit der Spulenanordnung verbunden ist, und mit einem Temperatursensor.
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Beim kabellosen Laden eines Mobiltelefons wird die Energie von einem Transmitter zu einem Receiver über das Magnetfeld übertragen. Der Transmitter enthält ebenso wie der Receiver eine Spule mit einer Anzahl von Windungen. Dabei erzeugt der Transmitter mit seiner stromdurchflossen Spule ein magnetisches Wechselfeld, das in der Empfängerspule eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung bewirkt einen Stromfluss, womit der Empfängerspule Energie entnommen werden kann. Die Energieübertragung beruht im Wesentlichen auf dem Transformatorprinzip. Auch die Rückwirkung einer angeschlossenen Last im Empfänger (Receiver) zum Sender (Transmitter) geschieht nach dem Transformatorprinzip. Eine wechselnde Last am Empfänger führt zu einer detektierbaren Änderung der elektronischen Verhältnisse im Sender, was unmittelbar zur Kommunikation zwischen Empfänger und Sender genutzt wird. Da das zu ladende Gerät beim kabellosen Laden des Leistungsempfängers nach der Ladung vom Sender räumlich getrennt werden muss, kann die magnetische Kopplung nicht über einen gemeinsamen Eisenkern erfolgen. Vielmehr verbleibt zwischen dem Sender und dem Empfänger ein Luftspalt von mehreren Millimetern. In diesem Luftspalt können sich auch Fremdobjekte befinden, die die magnetische Energieübertragung beeinflussen. Besonders elektrisch leitende Gegenstände, wie z. B. Münzen, nehmen dann einen Teil der Energie auf, wenn sie sich unmittelbar zwischen Sende- und Empfangsspule befinden, wo das magnetische Feld am größten und die Energieübertragungsdichte am höchsten ist.
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Durch das magnetische Wechselfeld wird in einem solchen Fremdobjekt aus elektrisch leitendem Material eine Spannung induziert, die einen Stromfluss in diesem Fremdobjekt bewirkt. Wenn das Fremdobjekt komplett aus elektrisch leitendem Material besteht, ergibt sich als Ersatzschaltbild für dieses Fremdobjekt eine Spule mit einer Windung, die zudem noch kurzgeschlossen ist. Somit fließt der durch die induzierte Spannung hervorgerufene Strom kreisförmig durch das Fremdobjekt und erwärmt dieses. Dieser Effekt ist auch als Wirbelstrom bekannt. Dies hat nachteilig zur Folge, dass nur ein Teil der vom Sender abgegebenen Energie am Empfänger ankommt. Zudem wird das Fremdobjekt erwärmt, was zu einer deutlichen Erhöhung der Temperatur an der Transmitteroberfläche führt. Die Erhitzung kann dann zu erheblichen Schäden an der induktiven Ladevorrichtung und am Leistungsempfänger führen.
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Leistungsempfänger sind regelmäßig zur Überwachung ihrer Akkumulatortemperatur eingerichtet, um den im Leistungsempfänger enthaltenen Akkumulator vor einer Überhitzung zu schützen. Für die induktive Ladung sind Leistungsempfänger auch regelmäßig so eingerichtet, dass sie bei Überschreiten eines kritischen Temperaturwertes den Transmitter veranlassen, die abzugebende Leistung zu verringern oder ganz abzuschalten.
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Auch bei induktiven Ladevorrichtungen ist bekannt, dass die Temperatur sowohl der Sendespule als auch der Ansteuerelektronik überwacht und bei Überschreiten eines kritischen Wertes die Leistungsabstrahlung unterbrochen wird.
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Der Qi-Standard des Wireless-Power-Konsortiums sieht eine Fremdobjekterkennung (FOD = Foreign Object Detection) vor, um allgemein Objekte, die sich zwischen dem Sender und dem Empfänger befinden, zu erkennen und die Ladung abzuschalten. Hierzu ist die Verlustleistungsmethode bekannt, bei der die über die Sendespule abgestrahlte Leistung mit der in der Empfangsspule aufgenommenen Leistung verglichen wird. Bei einem zu hohen Unterschied wird auf das Vorhandensein eines Fremdobjektes geschlossen. Eine andere bekannte Methode ist die Messung der Spulengüte der Sendespule. Diese wird sowohl durch das Vorhandensein der Empfangsspule, als auch durch das Vorhandensein eines Fremdobjektes beeinflusst. Da die Beeinflussung in beiden Fällen unterschiedlich ist, kann auch hier auf das Vorhandensein eines Fremdobjektes geschlossen werden.
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Die Methoden zur Fremdobjekterkennung müssen sehr robust ausgelegt werden. Es muss verhindert werden, dass ein normaler Betriebszustand ohne Fremdobjekte nicht fälschlicherweise als Fremdobjekt interpretiert wird. Bei der Verlustleistungsmethode ist die Leistungsmessung im Empfänger, die von den verschiedenen Empfangsgeräten durchgeführt wird, mit erheblichen Toleranzen behaftet. Für eine sichere Erkennung eines Fremdobjektes muss somit ein erheblicher Unterschied zwischen gesendeter und empfangener Leistung vorhanden sein. Insbesondere bei relativ kleinen Fremdobjekten kann es vorkommen, dass die von diesen Fremdobjekten umgesetzte Leistung nicht so groß ist, dass der Grenzwert der Differenz zwischen gesendeter und empfangener Leistung überschritten wird. Das Fremdobjekt würde dann nicht erkannt werden. Trotzdem würde es sich über einen längeren Zeitraum erhitzen, was unter Umständen zu kritischen Situationen führen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zum induktiven Laden von Leistungsempfängern mit einer verbesserten Fremdobjekterkennung zu schaffen.
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur Ansteuerung der Sendespule mit der Ansteuerelektronik in Ansprechen auf Zustände eingerichtet ist, welche durch mit dem Temperatursensor erfassten Temperaturänderungen detektiert werden. Damit wird vorgeschlagen, nicht einfach absolute Temperaturwerte und das Überschreiten eines Temperaturschwellwertes zu nutzen, sondern Temperaturänderungen zu erfassen und den damit ermittelten zeitlichen Verlauf der Änderung der Temperaturwerte für die Ansteuerung der Sendespule zu nutzen. Aus einem solchen zeitlichen Verlauf der Temperaturänderung lässt sich sehr zuverlässig auf Fremdobjekte zwischen der Sendespule und dem Leistungsempfänger schließen.
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Der Temperatursensor kann zwischen der Sendespule und der Ablagefläche angeordnet sein. Damit gelingt es, einen durch Erwärmung eines Fremdobjekts, welches sich zwischen dem Leistungsempfänger und der Sendespule befindet, verursachten Temperaturanstieg zu detektieren.
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Der unbestimmte Artikel „ein“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung als solcher und nicht als Zahlwort verstanden. Wenn von „einem Temperatursensor“ die Rede ist, schließt dies nicht aus, dass noch weitere Temperatursensoren vorhanden sind. Dies gilt auch für die Anzahl der Sendespulen und der weiteren Merkmale.
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So können mehrere Temperatursensoren in unterschiedlichen Abständen zur Ablagefläche zwischen der Sendespule und der Ablagefläche angeordnet sein. Damit gelingt es, einen Temperaturgradienten zu ermitteln. Die Vorrichtung kann zur Ermittlung des Wärmegradienten aus dem zeitlichen Verlauf der Temperaturdifferenz zwischen mindestens einem Paar dieser Temperatursensoren eingerichtet sein. So kann auf ein Fremdobjekt geschlossen werden, wenn die Temperatur mit dem Leistungsempfänger näher liegenden Temperatursensor erfasste Temperatur zum gleichen Messzeitpunkt größer als die Temperatur an einem dem Leistungsempfänger entfernteren Temperatursensor ist. Dieser Temperaturunterschied und ggf. der zeitliche Verlauf des Temperaturgradienten weist darauf hin, dass die Ursache einer Wärmeentwicklung ein Fremdobjekt zwischen Leistungsempfänger und Sendespule ist.
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Die Vorrichtung kann eine Mehrzahl von Sendespulen haben. Diese Sendespulen können auf einer Ablagefläche verteilt, beispielsweise in Form einer Matrix angeordnet und individuell ansteuerbar sein. Die Vorrichtung ist dann zur Ansteuerung der Mehrzahl von Sendespulen mit der Ansteuerelektronik jeweils individuell in Ansprechen auf Zustände eingerichtet, welche durch Temperaturänderung definiert werden, die auf eine jeweilige Sendespule bezogen sind. Für jede dieser Sendespulen wird somit eine Temperaturänderung und ggf. ein Temperaturgradient ermittelt, durch den auf ein Fremdobjekt oberhalb dieser jeweiligen Sendespule geschlossen werden kann.
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Zwischen jeder Sendespule oder einer Gruppe von Sendespulen und der Ablagefläche kann ein Temperatursensor angeordnet sein. Durch die Nutzung eines Temperatursensors für eine Gruppe von Sendespulen kann der Messaufbau vereinfacht werden, auch wenn damit eine individuelle Ansteuerung für jede einzelne Sendespule erschwert wird. Durch einen Vergleich der Temperaturwerte der von mehreren über die Ablagefläche verteilten Temperatursensoren lässt sich aber ein Schwerpunkt von Ortsbereichen auf der Ablagefläche ermitteln, bei denen die Temperatur am größten ist. Diese Bereiche weisen dann auf ein Fremdobjekt hin, so dass die Sendespulen, welche den vermeintlichen Auflageort eines Fremdobjekts mit Energie beaufschlagen, abgeschaltet oder in der Leistung reduziert werden können. Die Vorrichtung kann zur Bestimmung der Zustände weiterhin in Abhängigkeit von der ermittelten absoluten Temperatur eingerichtet sein. Damit kann die Fremdkörpererkennung verbessert werden, beispielsweise indem eine Abschaltung einer jeweiligen Sendespule bei Erreichen eines Temperaturschwellwertes durch die für die Sendespule ermittelte Temperatur eingerichtet ist. Hierzu kann jeweils die Temperatur über eine Sendespule oder auf eine Gruppe von Sendespulen erfasst werden.
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Die Vorrichtung kann zur Reduzierung der Sendeleistung einer jeweiligen Sendeleistung einer jeweiligen Sendespule bei Erreichung eines Leistungsschwellwerts für eine ermittelte Verlustleistung und zur Änderung des Leistungsschwellwerts in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturänderung eingerichtet sein. Die Methode der Verlustleistungserkennung für die Fremdobjektdetektion kann somit kombiniert werden mit der Erfassung der Temperaturänderung. Die ermittelte Temperaturänderung wird zur Anpassung des Leistungsschwellwertes genutzt, um auf diese Weise die Sendeleistung der jeweiligen Sendespule anzusteuern. Die Vorrichtung kann hierfür zur Reduzierung des Leistungsschwellwertes in Abhängigkeit von einer Änderung der ermittelten Temperaturänderung eingerichtet sein. Ein sehr einfacher, zuverlässiger und kompakter Aufbau der Vorrichtung gelingt dadurch, dass die Vorrichtung eine Ablagefläche, eine unterhalb der Ablagefläche angeordnete Leiterplatte mit dem mindestens einen Temperatursensor, einen Kunststoffrahmen, der an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist und eine Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von Sendespulen aufnimmt, sowie eine Abschirmfläche, welche den Kunststoffrahmen mit der Spulenanordnung auf der Seite abdeckt, die der Ablagefläche diametral gegenüberliegt, aufweist. Die Ansteuerelektronik bildet mit der Abschirmfläche und einem Kühlkörper eine Einheit, die mittels eines Rahmenelementes mit der Ablagefläche lösbar verbunden ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
- 1 - Blockdiagramm einer Vorrichtung zum induktiven Laden von Leistungsem pfängern;
- 2 - Explosionsansicht eines möglichen konstruktiven Aufbaus einer solchen Ladevorrichtung;
- 3 - Diagramm von Temperaturänderungen über die Zeit beim Laden eines Leistungsempfängers mit und ohne Fremdobjekt;
- 4 - Blockdiagramm der Anordnung mehrerer Termperatursensoren zwischen Sendespule und Leistungsempfänger.
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1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung 1 zum induktiven Laden von Leistungsempfängern 2. Ein solcher Leistungsempfänger 2 kann beispielsweise ein Mobiltelefon sein. Der Leistungsempfänger 2 wird dabei auf eine Ablagefläche 3 abgelegt.
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Diametral gegenüberliegend von der Auflageseite der Ablagefläche 3 für den Leistungsempfänger 2 ist eine Spulenanordnung 4 mit mindestens einer Sendespule angeordnet. Diese Sendespulen der Spulenanordnung 4 werden über ein Leistungsmodul 5 mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Die Wechselspannung hat eine Frequenz, die zum kabellosen Laden geeignet ist und eine entsprechende Leistung induktiv überträgt. Bei dem Qi-Standard kann dies beispielsweise eine Frequenz im Bereich von 110 bis 205 kHz sein. Diese Leistung wird in die aus einer oder mehreren Spulen bestehenden Spulenanordnung 4 eingespeist und von der Spulenanordnung 4 in ein magnetisches Wechselfeld gewandelt und durch die Ablagefläche 3 zum Leistungsempfänger 2 hin abgestrahlt.
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Zwischen der Spulenanordnung 4 und der Ablagefläche 3 ist mindestens ein Temperatursensor 6 angeordnet. Damit wird die Temperatur oberhalb der Spulenanordnung 4 und unterhalb der Ablagefläche 3 von dem mindestens einen Temperatursensor 6 erfasst und an eine Ansteuerelektronik 7 übertragen. Die Ansteuerelektronik 7 kann ein geeignet programmierter Mikroprozessor oder Mikrocontroller sein. Die Ansteuerelektronik 7 ist vorzugsweise durch geeignete Programmierung mittels eines Computerprogramms eingerichtet, um eine Temperaturänderung mittels des einen Temperatursensors 6 zu erfassen und die Temperaturänderung so auszuwerten, dass mit Hilfe einer detektierten Temperaturänderung ein Fremdobjekt FO erkannt wird. Bei Erkennen eines Fremdobjekts FO ist die Ansteuerelektronik 7 dann eingerichtet, um das Leistungsmodul 5 so anzusteuern, dass die vom Leistungsmodul 5 an die Sendespulenanordnung 4 übertragene Leistung reduziert oder ganz abgeschaltet wird.
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Damit wird eine mittels des zwischen der Spulenanordnung 4 und der Ablagefläche 3 angeordneten Temperatursensors 6 erfasste Temperaturänderung als Maß für die Erkennung eines Fremdobjekts FO und der damit verbundenen Ansteuerung des Leistungsmoduls 5 zur Reduzierung der Sendeleistung genutzt.
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2 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer solchen Vorrichtung 1 zum induktiven Laden von Leistungsempfängern 2 in einer Explosionsansicht. Die Vorrichtung hat eine Ablagefläche 3 mit einer Rahmenstruktur an der Unterseite, die zur Aufnahme einer Leiterplatte 8 ausgebildet ist. Diese Leiterplatte 8 trägt mindestens einen Temperatursensor 6 (nicht gezeigt). Dabei ist es vorteilhaft, wenn für jede Spule der Spulenanordnung 4 im Wirkbereich dieser jeweiligen Spule mindestens ein Temperatursensor 6 vorhanden ist. Vorteilhaft ist auf der Oberseite und Unterseite der Leiterplatte 8 jeweils ein Temperatursensor 6 pro Spule oder Gruppe von Spulen angeordnet. Damit lässt sich ein Temperaturgradient durch die Temperaturdifferenz der Ablagefläche 3 nächstliegenden Temperatursensors an der Oberseite der Leiterplatte 8 und des im Vergleich hierzu zur Ablagefläche 3 entfernteren Temperatursensors an der Unterseite der Leiterplatte 8 bestimmen.
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An der Unterseite der Leiterplatte 8 ist ein Kunststoffrahmen 9 angeordnet, der die Spulenanordnung 4 aufnimmt und diese unterhalb der Leiterplatte 8 fixiert. Diese Spulenanordnung ist auf der distalen Seite der Leiterplatte 8, d. h. an der Seite die der Leiterplatte 8 gegenüberliegt mit einem Abschirmblech 10 abgedeckt. Auf das Abschirmblech 10 ist eine Ansteuerelektronik 7 montiert, die ihrerseits auf einer Leiterplatte mit elektronischen Bauelementen, umfassend einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor, ausgebildet ist. Die Ansteuerelektronik 7 hat einen Kühlkörper 11 und beinhaltet das Leistungsmodul 5. Die Ansteuerelektronik 7 bildet mit der Abschirmplatte 10 und dem Kühlkörper 11 eine Einheit, die mit einem Kunststoffrahmen 12 mit der Ablagefläche 3 verschraubt wird.
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Mit Hilfe der Leiterplatte 8 wird erreicht, dass sich der mindestens eine Temperatursensor 6, der sich auf der Leiterplatte 8 befindet, räumlich zwischen der Ablagefläche 3 und der Spulenanordnung 4 befindet.
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3 zeigt ein Diagramm der Temperaturänderung über die Zeit t in Sekunden, welche mit einem Temperatursensor der Spulenanordnung 4 gemessen wird. Bei dem Temperatursensor handelt es sich um einen NTC-Widerstand, bei dem sich mit zunehmender Temperatur der Widerstand in den negativen Bereich ändert.
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Es sind zwei Temperaturänderungsverläufe einerseits für einen Leistungsempfänger UE ohne Fremdobjekt FO und andererseits für einen Leistungsempfänger mit zwischen dem Leistungsempfänger UOE und der Ablagefläche 3 in dem Fremdobjekt FO aufgetragen. Es wird deutlich, dass beim Auflagern eines Leistungsempfängers ohne zwischenliegendes Fremdobjekt FO die Temperatur nach etwa 100 Sekunden auf eine im Vergleich zur Temperatur ohne Ladevorgang erhöhten Temperaturwert ansteigt und dort mit einer gewissen Varianz verharrt. Für den Fall, dass zwischen dem Leistungsempfänger UE und der Ablagefläche 3 ein Fremdobjekt FO platziert ist, dann steigt die Temperatur zu Beginn signifikant an und nähert sich im laufenden Ladeprozess dann nach etwa 300 Sekunden dem Temperaturwert ohne Fremdobjekt an.
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Die Darstellung der Temperaturänderung mit negativen Werten ist dadurch begründet, dass für die Temperaturmessung ein NTC (negativer Temperaturkoeffizient) benutzt wurde. Bei einem PTC (positiver Temperaturkoeffizient) wären die Werte entsprechend positiv.
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Aus dieser signifikanten Temperaturänderung insbesondere im Anfangsbereich des Ladezyklus bis etwa 300 Sekunden und vorzugsweise bis etwa 100 Sekunden lässt sich durch den signifikanten Temperaturanstieg sicher auf ein Fremdobjekt zwischen Spulenanordnung 4 und Leistungsempfänger 2 schließen. Damit ist es möglich, bei Vorliegen einer solchen Temperaturänderung die Ladeleistung zu reduzieren oder sogar das Leistungsmodul ganz abzuschalten.
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Diese Auswertung der Temperaturänderung kann aber auch mit einer Leistungsregelung in Abhängigkeit von einer erfassten Verlustleistung zwischen Spulenanordnung 4 und Leistungsempfänger 2 kombiniert werden. Die Ansteuerelektronik 7 ist dann eingerichtet, um das Leistungsmodul 5 und damit die Spulenanordnung 4 bzw. einzelne Sendespulen nicht direkt abzuschalten oder ihre Leistung zu vermindern. Vielmehr wird der Schwellwert der Leistungsdifferenz, über die ein Abschalten der einzelnen Sendespulen oder der gesamten Spulenanordnung 4 erfolgt, mit dem Maß der Temperaturveränderung verändert. Eine Abschaltung erfolgt dabei erst, wenn ein Leistungsschwellwert überschritten wird. Solange die Differenz zwischen der gesendeten und empfangenen Leistung den Leistungsschwellwert nicht überschreitet, wird der Ladungsvorgang fortgeführt. Wenn eine stärkere Temperaturänderung erkannt, wie in dem Diagramm der 3 für UE mit FO skizziert ist, dann wird der Leistungsschwellwert kontinuierlich oder in Schritten herabgesetzt. Dies führt dazu, dass die Leistungsdifferenz im Falle eines Fremdobjekts FO über dem dadurch reduzierten Leistungsschwellwert liegt und damit auf ein Fremdobjekt FO geschlossen und die mindestens eine Sendespule der Spulenanordnung 4 abgeschaltet wird.
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4 zeigt eine Skizze einer Vorrichtung 1, bei der zwischen Sensoranordnung 4 und der Ablagefläche 3 bzw. dem auf der Ablagefläche 3 angeordneten Leistungsempfänger 2 (UE = User-Equipment) mindestens zwei Temperatursensoren 6a, 6b übereinander angeordnet sind. Der obere Temperatursensor 6a ist näher an der Ablagefläche 3 angeordnet, als der untere Temperatursensor 6b, der diesbezüglich entfernter zur Ablagefläche 3 und näher zur Spulenanordnung 4 bzw. zu der jeweils zugeordneten Spule der Spulenanordnung 4 positioniert ist. Diese Mehrzahl von Temperatursensoren 6a, 6b jeweils für eine Sendespule bzw. eine Gruppe von Sendespulen der Spulenanordnung 4 befinden sich damit in unterschiedlicher Entfernung zu der Ablagefläche 3 für den zu ladenden Leistungsempfänger 2. Damit lässt sich zusätzlich zu dem zeitlichen Verlauf der Temperaturänderung auch die Richtung des Wärmetransportes erfassen. Über die Temperaturdifferenz in der mit dem dargestellten Paar von Temperatursensoren 6a, 6b jeweils erfassten Temperatur und über den zeitlichen Verlauf dieser Temperaturdifferenz kann dann ermittelt werden, ob ein Wärmetransport von der Sendespule der Spulenanordnung 4 zur Ablagefläche 3 erfolgt, weil die Verlustleistung in der Sendespule die entscheidende Wärmequelle ist, oder ob der Wärmetransport von der Ablagefläche 3 zur Sendespule der Spulenanordnung 4 erfolgt, weil z. B. dort ein Fremdobjekt FO aufgeheizt wird, das sich auf der Ablageoberfläche 3 zwischen der Spulenanordnung 4 und dem Leistungsempfänger 2 befindet.
